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Ogni tessuto del corpo umano contiene fibre eccezionalmente piccole che aiutano a coordinare il modo in cui gli organi si muovono, funzionano e comunicano. Le fibre muscolari guidano la forza fisica, le fibre intestinali supportano il movimento del tratto digestivo e le fibre cerebrali trasportano segnali elettrici che consentono alle diverse regioni di scambiarsi informazioni. Insieme, questi intricati sistemi di fibre aiutano a modellare la struttura di ciascun organo e a mantenerlo funzionante correttamente.
Molte malattie interrompono queste delicate reti. Nel cervello, il danno alle connessioni delle fibre si manifesta in quasi tutti i disturbi neurologici, dove contribuisce a cambiamenti nella comunicazione neurale.
Sebbene queste strutture microscopiche svolgano un ruolo essenziale, sono state a lungo difficili da studiare. I ricercatori hanno faticato a determinare come le fibre sono orientate all’interno dei tessuti, il che ha reso difficile comprendere appieno come cambiano in condizioni di salute e malattia.
Un metodo semplice per rivelare la microstruttura nascosta
Un gruppo di ricerca guidato da Marios Georgiadis, PhD, istruttore di neuroimaging, ha ora introdotto un approccio che rende visibili questi modelli di fibre difficili da vedere con eccezionale chiarezza e ad un costo relativamente basso.
La loro tecnica, descritta in Comunicazioni sulla naturaè noto come imaging computazionale a luce diffusa (ComSLI). Può rivelare l’orientamento e l’organizzazione delle fibre tissutali con una risoluzione micrometrica praticamente su qualsiasi vetrino istologico, indipendentemente da come è stato colorato o conservato, anche se il vetrino ha molti decenni.
Michael Zeineh, MD, PhD, professore di radiologia, è stato co-autore senior con Miriam Menzel, PhD, ex studiosa in visita nel laboratorio di Zeineh.
“Le informazioni sulle strutture dei tessuti sono sempre state lì, nascoste in bella vista”, ha detto Georgiadis. “ComSLI ci offre semplicemente un modo per vedere tali informazioni e mapparle.”
Come ComSLI mappa l’orientamento della fibra
Le strategie di imaging tradizionali presentano limitazioni significative. La risonanza magnetica può evidenziare grandi reti anatomiche ma non può catturare piccole strutture cellulari. Le tecniche istologiche spesso richiedono colorazioni specializzate, apparecchiature di fascia alta e campioni conservati con cura, e hanno ancora difficoltà a rappresentare chiaramente gli incroci delle fibre.
ComSLI si basa su un principio fisico di base: quando la luce incontra strutture microscopiche, si disperde in direzioni diverse in base al loro orientamento. Ruotando la sorgente luminosa e registrando come cambia il segnale di diffusione, i ricercatori possono ricostruire la direzione delle fibre all’interno di ciascun pixel di un’immagine.
Il metodo richiede solo una luce LED rotante e una fotocamera per microscopio, rendendo la configurazione accessibile rispetto ad altre forme di microscopia avanzata. Dopo aver raccolto le immagini, il software analizza i modelli delicati nella luce diffusa per generare mappe codificate a colori dell’orientamento e della densità delle fibre, note come distribuzioni dell’orientamento delle fibre basate sulla microstruttura.
ComSLI non è limitato dalla preparazione del campione. Funziona con sezioni fissate in formalina e incluse in paraffina (uno standard negli ospedali e nei laboratori di patologia) nonché con vetrini appena congelati, colorati o non colorati.
Gli scienziati possono anche rivisitare le diapositive originariamente create per progetti non correlati, anche quelle archiviate per decenni, consentendo nuove intuizioni strutturali senza alterare i campioni.
“Questo è uno strumento che qualsiasi laboratorio può utilizzare”, ha detto Zeineh. “Non è necessaria una preparazione specializzata o attrezzature costose. Ciò che mi entusiasma di più è che questo approccio apre le porte a chiunque, dai piccoli laboratori di ricerca ai laboratori di patologia, per scoprire nuove informazioni dalle diapositive che già possiede.”
Mappatura della microstruttura neurale e della malattia
Uno degli obiettivi principali delle neuroscienze è stato quello di tracciare i percorsi microscopici del cervello con elevata precisione. Utilizzando ComSLI, Georgiadis e colleghi hanno visualizzato sezioni complete di cervello umano fissate in formalina e incluse in paraffina e vetrini di dimensioni standard, rivelando strutture fibrose dettagliate in tutto il tessuto.
Hanno anche esaminato come queste fibre cambiano in condizioni neurologiche come la sclerosi multipla, la leucoencefalopatia e il morbo di Alzheimer.
Un focus è stato l’ippocampo, una regione del cervello profondo centrale per la formazione e il recupero della memoria e spesso colpita nelle prime fasi della neurodegenerazione. Confrontando una sezione dell’ippocampo di un paziente con malattia di Alzheimer con un campione sano, il team ha osservato un chiaro deterioramento strutturale. Gli incroci delle fibre che normalmente aiutano a connettere le regioni dell’ippocampo erano notevolmente ridotti e il percorso principale responsabile del trasporto dei segnali legati alla memoria nella regione (il percorso perforante) era appena visibile. L’ippocampo sano, al contrario, mostrava una rete di fibre densa e interconnessa in tutta l’area. Con queste mappe dettagliate, i ricercatori possono vedere come i circuiti della memoria si guastano man mano che la malattia progredisce.
Per testare i limiti del metodo, i ricercatori hanno analizzato una sezione del cervello preparata nel 1904. Anche in questo campione vecchio di un secolo, ComSLI ha identificato modelli di fibre intricati, consentendo agli scienziati di studiare campioni storici ed esplorare come le caratteristiche strutturali si evolvono attraverso generazioni di malattie.
Applicazioni oltre il cervello
Sebbene inizialmente progettato per la ricerca sul cervello, ComSLI funziona bene anche in altri tessuti. Il team lo ha utilizzato per studiare campioni di muscoli, ossa e vascolari, ciascuno dei quali ha rivelato disposizioni di fibre uniche legate alle loro funzioni biologiche.
Nel muscolo della lingua, il metodo ha evidenziato orientamenti di fibre stratificate legate al movimento e alla flessibilità. Nelle ossa, ha catturato le fibre di collagene che si allineano con lo stress meccanico. Nelle arterie, ha mostrato strati alternati di collagene ed elastina che supportano sia la forza che l’elasticità.
Questa capacità di mappare l’orientamento delle fibre tra specie, organi e campioni d’archivio potrebbe cambiare in modo significativo il modo in cui gli scienziati indagano sulla struttura e sulla funzione. Significa anche che milioni di diapositive archiviate in tutto il mondo potrebbero contenere informazioni microstrutturali non sfruttate.
“Anche se abbiamo appena presentato il metodo, ci sono già molteplici richieste per la scansione di campioni e la replica della configurazione ComSLI: quindi molti laboratori e cliniche vorrebbero avere un orientamento delle fibre con risoluzione micron e una microconnettività nelle loro sezioni istologiche”, ha affermato Georgiadis. “Un altro piano entusiasmante è quello di tornare ad archivi cerebrali ben caratterizzati o a sezioni cerebrali di personaggi famosi e recuperare queste informazioni di micro-connettività, rivelando ‘segreti’ che sono stati considerati perduti da tempo. Questa è la bellezza di ComSLI.”
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Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com